Tài liệu NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN DẦM BÊ TÔNG CỐT CỨNG THEO TIÊU CHUẨN NGA VÀO TIÊU CHUẨN VIỆT NAM

QUY CHUẨN - TIÊU CHUẨN NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN DẦM BÊ TÔNG CỐT CỨNG THEO TIÊU CHUẨN NGA VÀO TIÊU CHUẨN VIỆT NAM TS. LÊ MINH LONG Viện KHCN Xây dựng KS. QUÁCH THÀNH NAM Công ty CP Tư vấn thiết kế và Dịch vụ đầu tư Tóm tắt: Hiện nay, vẫn chưa có tài liệu hướng dẫn tính toán dầm bê tông cốt cứng theo tiêu chuẩn Việt Nam. Bài báo này giới thiệu phương pháp tính toán dầm bê tông cốt cứng của Nga và có thể áp dụng vào tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành. Từ khóa: cốt cứng, dầm bê tông cốt thép, độ bền. 1. Mở đầu Kết cấu bê tông cốt cứng (ở đây phân biệt cốt cứng là thép hình, còn cốt thép thường là thép thanh thông thường) tận dụng được các ưu điểm riêng về đặc trưng cơ lý của vật liệu thép và bê tông để tạo ra kết cấu có khả năng chịu lực và độ tin cậy cao, đồng thời giảm tiết diện khi yêu cầu vượt nhịp lớn hoặc yêu cầu về công năng và thẩm mỹ của công trình, thời gian thi công nhanh nâng cao hiệu quả về kinh tế khi thi công các công trình xây dựng. Kết cấu bê tông cốt cứng đã được sử dụng nhiều ở các nước trên thế giới như Mỹ, Anh, Pháp, Đức, Nga, Trung Quốc, Nhật Bản, Singapor,… trong việc xây dựng các công trình cao tầng và các công trình khung nhịp lớn do đó đã có nhiều tài liệu và tiêu chuẩn thiết kế cho kết cấu bê tông cốt cứng của các nước khác nhau. Ở Việt Nam loại kết cấu này cho đến nay vẫn được sử dụng rất ít. Tuy nhiên, nhu cầu xây dựng nhà cao tầng và siêu cao tầng đang bùng nổ mạnh mẽ, với những ưu điểm của kết cấu bê tông cốt cứng, trong tương lai loại kết cấu này sẽ được sử dụng rộng rãi, và Việt Nam cũng không nằm ngoài xu hướng phát triển chung của xây dựng thế giới. Việc tính toán cấu kiện bê tông cốt cứng hiện đang còn gặp nhiều khó khăn đối với các kỹ sư tư vấn thiết kế do chưa có tài liệu hướng dẫn tính toán cấu kiện bê tông sử dụng cốt cứng nói chung và cột bê tông sử dụng cốt cứng nói riêng. Tuy nhiên nếu áp dụng nguyên tắc tính toán theo tiêu chuẩn Nga thì hoàn toàn có thể tính toán được theo hai tiêu chuẩn TCVN 5574: 2012 và TCVN 5575: 2012 bởi các lý do sau đây: - Bản chất của tiêu chuẩn TCVN 5574: 2012 [1] và TCVN 5575: 2012 [2] là các tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCXDVN 356:2005 và TCXDVN 338: 2005 đã được chuyển ngang mà không thay đổi nội dụng và Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2014 chỉ đổi tên thành tiêu chuẩn quốc gia. Hai tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam đều được chuyển dịch từ các tiêu chuẩn tương ứng của Nga là SNIP 2.03.01-84* [3] về thiết kế kết cấu bê tông cốt thép và SNIP II-23-81* [4] về thiết kế kết cấu thép; - Trong hệ thống tiêu chuẩn Nga không có tiêu chuẩn riêng để thiết kế dầm bê tông cốt cứng nhưng cho đến thời điểm này có hướng dẫn [6] tính toán dựa theo tiêu chuẩn [3] về thiết kế kết cấu bê tông cốt thép và tiêu chuẩn [4] về thiết kế kết cấu thép. Vì vậy, vấn đề đặt ra là có thể nghiên cứu tài liệu tiêu chuẩn và hướng dẫn của Nga để áp dụng tính toán dầm bê tông cốt cứng theo tiêu chuẩn Nga vào tiêu chuẩn Việt Nam. 2. Áp dụng tính toán dầm bê tông cốt cứng theo tiêu chuẩn Nga vào TCVN 2.1 Các yêu cầu chung Theo hướng dẫn của Nga [6] thì việc tính toán độ bền dầm bê tông cốt cứng cần được thực hiện phù hợp với các chỉ dẫn trong [3] (tương đương với [1] của Việt Nam) và có kể đến các khuyến nghị bổ sung dưới đây. Về nguyên tắc, việc tính toán cấu kiện dầm bê tông cốt cứng được thực hiện đối với các giai đoạn làm việc của dầm như sau: - Giai đoạn 1: Trước khi bê tông đạt đến cường 2 độ mẫu lập phương 10 N/mm - tính toán như dầm thép thông thường, trong đó chỉ có cốt cứng làm việc và chịu các tải trọng như tải trọng bản thân của cốt cứng, trọng lượng bê tông, tải trọng vận chuyển và lắp dựng và các tải trọng khác trong quá trình thi công dầm; - Giai đoạn 2: Sau khi bê tông đạt đến cường độ mẫu lập phương 10 N/mm2 - cốt cứng làm việc đồng thời với bê tông và việc tính toán được tiến hành như đối với dầm bê tông cốt thép chịu toàn bộ tải trọng. Đối với các tải trọng phát sinh trong quá trình lắp dựng, khi cường độ mẫu lập phương của bê tông lớn hơn cho phép tính toán dầm như dầm bê tông cốt thép. 53 QUY CHUẨN - TIÊU CHUẨN Để tiết kiệm thép, tiết diện cốt cứng nên chọn tối thiểu để cốt cứng làm việc như kết cấu thép chỉ chịu các lực phát sinh trong quá trình thi công, trừ các trường hợp bị hạn chế bởi kích thước bao của dầm bê tông cốt thép. Sự làm việc của dầm bê tông cốt thép sử dụng cốt cứng chịu toàn bộ tải trọng sử dụng được đảm bảo bằng việc lựa chọn tiết diện bê tông cốt thép với cốt cứng và cốt thép thường bổ sung. Trong bài báo này chỉ giới thiệu cách tính toán theo giai đoạn 2. 2.2 Các yêu cầu về vật liệu Các yêu cầu về bê tông và cốt thép thường lấy như trong [1] và cốt cứng lấy theo [2]. 2.3 Phương pháp tính toán dầm bê tông cốt cứng 2.3.1 Các giả thiết tính toán Theo quan điểm tính toán của Nga trong [6], việc xác định nội lực giới hạn trong tiết diện được tiến hành dựa trên các giả thiết sau: - Cường độ chịu kéo của bê tông lấy bằng không (tức là bỏ qua khả năng chịu kéo của bê tông); - Cường độ chịu nén của bê tông quy ước lấy bằng ứng suất (trong các trường hợp cần thiết được nhân với các hệ số điều kiện làm việc, được phân bố đều trong vùng chịu nén); - Biến dạng (ứng suất) trong cốt thép được xác định phụ thuộc vào chiều cao vùng chịu nén bê tông; - Ứng suất kéo trong cốt cứng và cốt thép thường không lớn hơn cường độ chịu kéo tính toán của cốt cứng Rsr và cốt thép thường Rs , trong các trường hợp cần thiết được nhân với các hệ số điều kiện làm việc  si ; tiết diện thẳng góc với trục dọc cấu kiện cần được tiến hành phụ thuộc vào sự tương quan giữa giá trị chiều cao tương đối của vùng chịu nén của bê tông. Chiều cao tương đối  của vùng chịu nén của bê tông được xác định bằng tỉ số giữa chiều cao vùng chịu nén x và chiều cao làm việc h0 của tiết diện (x/h0). Chiều cao làm việc h0 của tiết diện được xác định theo công thức: h0  h  a1 (1) Trong đó: h - chiều cao tiết diện; a1 - khoảng cách từ điểm đặt hợp lực của nội lực trong cốt thép (cốt cứng và cốt thép thường) chịu kéo đến biên chịu kéo của tiết diện, được xác định theo công thức: a1  Asr ar  As a Asr  As (2) Trong đó: Asr - diện tích tiết diện phần cốt cứng nằm trong vùng chịu kéo; As - diện tích tiết diện của cốt thép thường chịu kéo; a - khoảng cách từ hợp lực của cốt thép thường chịu kéo đến biên gần nhất của tiết diện; a r - khoảng cách từ trọng tâm cốt cứng đến biên chịu kéo của tiết diện. Chiều cao tương đối giới hạn R của vùng chịu nén của bê tông tại thời điểm khi trạng thái giới hạn của dầm xảy ra đồng thời với việc ứng suất trong cốt thép chịu kéo đạt tới cường độ tính toán có kể đến các hệ số điều kiện làm việc tương ứng, được xác định theo công thức kinh nghiệm: R   R   1  s ,max 1    sc ,u  1,1  (3) Trong đó:  - đặc trưng vùng chịu nén của bê tông, được xác định theo công thức:     0,008Rb (4) a) Xác định chiều cao tương đối giới hạn vùng chịu nén của bê tông   0 , 8 5 - hệ số đối với bê tông nặng; Rb - cường độ chịu nén tính toán dọc trục của bê tông ứng với 2 trạng thái giới hạn thứ nhất, tính bằng N/mm (đã kể đến các hệ số điều kiện làm việc); Rs,max - giá trị lớn hơn trong hai giá trị: cường độ chịu kéo tính toán của cốt cứng Rsr và cường độ chịu kéo tính toán của cốt thép thường R đã kể đến các hệ số điều kiện làm việc s tương ứng  si ;  sc , u - ứng suất giới hạn của cốt thép ở vùng chịu nén, được lấy đối với cấu kiện làm từ bê tông nặng, tùy thuộc vào yếu tố nêu trong Bảng 15 của tiêu chuẩn [3] (tương đương với [1]): bằng 500 MPa với loại tải trọng tác dụng như tại mục 2a và bằng 500 MPa với loại tải trọng tác dụng như tại mục 2b. Khi ngoại lực tác dụng trong mặt phẳng đi qua trục đối xứng của tiết diện và cốt thép đặt tập trung theo cạnh vuông góc với mặt phẳng đó, việc tính toán Dễ dàng nhận thấy, công thức (3) nêu trên tương tự công thức (25) của [1] nhưng đã thay Rs  Rs ,max . - Ứng suất nén trong cốt cứng và cốt thép thường không lớn hơn cường độ chịu nén tính toán của cốt  cứng Rsr và cốt thép thường Rsc , trong các trường hợp cần thiết được nhân với các hệ số điều kiện làm việc  si ; - Khi tính toán độ bền của cấu kiện bê tông cốt thép, thì sự chất tải trước cho cốt cứng trước khi đổ bê tông trong quá trình xây dựng nhà không làm giảm độ bền của cấu kiện bê tông cốt thép. 2.3.2 Tính toán độ bền tiết diện thẳng góc với trục dọc của dầm 54 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2014 QUY CHUẨN - TIÊU CHUẨN b) Tính toán độ bền của dầm tiết diện chữ nhật đi qua cốt cứng; trục trung hòa đi qua bản bụng cốt cứng; trục trung hòa đi qua bản cánh cốt cứng. Theo [5, 6], việc tính toán độ bền tiết diện thẳng góc của dầm tiết được tiến hành tùy theo vị trí của trục trung ḥa đối với cốt cứng: Trục trung hòa không Trường hợp 1: Trục trung hoà không đi qua cốt cứng (hình 1). A's b Rb a x a' Rsc A's trôc trung hßa h h' h0 Trục trung hòa a Rs As Asr Rsr As Hình 1. Trục trung hòa không đi qua cốt cứng (dầm tiết diện chữ nhật) - Khi x   R h0 , ứng suất trong cốt thép chịu kéo (cốt cứng và cốt thép thường) đạt đến cường độ tính toán, trạng thái giới hạn đạt đến khi xuất hiện sự phá hoại dẻo. Khi đó độ bền của tiết diện được kiểm tra theo điều kiện cân bằng đối với trọng tâm cốt thép (cốt cứng và cốt thép thường) chịu kéo M  0 : Chiều cao vùng chịu nén x được xác định từ điều kiện cân bằng  x  0 :  x  R b bx  R sc As  R s A s  R sr Asr  0 Trục trung hòa không đi qua cốt cứng khi: x  Rsr Asr  Rs As  Rsc As a bRb M  Rb bx  h0  0,5 x   R sc As  h0  a   (5) - Khi x   R h0 thì cốt thép (cốt cứng và cốt thép thường) chịu kéo mà ứng suất trong cốt thép còn nhỏ, chưa đạt đến cường độ tính toán. Bê tông vùng nén bị phá hoại khi ứng suất còn nhỏ hơn cường độ tính toán. Khi đó độ bền của tiết diện được kiểm tra theo điều kiện (6) nhưng thay x   R h0 và được viết dưới dạng: Trong đó: Rsr - cường độ tính toán của cốt cứng; Asr - diện tích tiết diện cốt cứng nằm trong vùng chịu kéo; Rs - cường độ chịu kéo tính toán của cốt thép thường; As - diện tích tiết diện cốt thép thường chịu kéo; Rsc - cường độ chịu nén tính toán của cốt thép thường; A - diện tích cốt thép thường chịu nén; b s chiều rộng tiết diện chữ nhật; R - cường độ chịu nén b tính toán dọc trục của bê tông; a - khoảng cách từ trục của cánh trên cốt cứng đến biên chịu nén của tiết diện. M  Rbbh02 R 1  0,5 R   Rsc As  h0  a  (7) Trường hợp 2 - Trục trung hòa đi qua bản bụng của cốt cứng (hình 2). A's b (6) Rsr Rb h0 r a x a' Rsc A' s trôc trung hßa h h' tw Trục trung hòa a Rs As : Asr Rsr As Hình 2. Trục trung hòa đi qua bản bụng của cốt cứng (dầm tiết diện chữ nhật) Chiều cao vùng chịu nén x được xác định từ điều kiện cân bằng  x  0 :   x  Rb bx  Rsc As  R sr Asr  R s As  R sr Asr  0 Trục trung hòa đi qua bản bụng cốt cứng khi: x 2 Rsr rtw  Rs As  Rsc As a bRb  2 Rsr t w (8) Trong đó: r - khoảng cách từ biên chịu nén của bê tông đến trọng tâm cốt cứng; tw- chiều dày bản bụng của cốt cứng. Khi x   R h0 , độ bền của tiết diện được kiểm tra theo điều kiện cân bằng đối với trục trung hòa M  0 : 2 M  Rb 0, 5bx 2  Rsc As  x  a    Rsr W p   r  x  t w   Rs As ( h  x )    Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2014  (9) 55 QUY CHUẨN - TIÊU CHUẨN Khi thiết kế nên chọn sao cho chiều cao vùng chịu nén của bê tông thỏa mãn điều kiện x   R h0 . Trường hợp 3 – Trục trung hòa đi qua bản cánh của cốt cứng (hình 3). A' s b Rb a a' Rsc A' s trôc trung hßa hw h Trục trung hòa h' tw a Rs As Asr,f Rsr As Hình 3. Trục trung hòa đi qua bản cánh của cốt cứng (dầm tiết diện chữ nhật) Nếu chiều cao vùng chịu nén của bê tông xác định theo (5) không thỏa mãn tức là trục trung hòa đi qua cốt cứng, thì chiều cao vùng chịu nén của bê tông tính theo (8). Nếu kết quả tính được theo (8) cũng không thỏa mãn thì giả thiết rằng trục trung hòa đi qua cánh cốt cứng. Khi x   R h0 , độ bền của tiết diện được kiểm tra theo điều kiện cân bằng mô men đối với trục trung hòa (10)    M  0 : M  Rb 0,5ba 2  Rsc As  a  a   Rsr Asr , f  0,5t w hw hw  Rs As ( h  a ) Khi x   R h0 độ bền của tiết diện được kiểm tra theo công thức (7). Việc kiểm tra độ bền tiết diện thẳng góc của dầm bê tông cốt cứng tiết diện chữ nhật có thể thực hiện theo sơ đồ khối trên hình 4. M , b , h , h0 , a, a , ar , a , r , Rs , As , Rsr , Asr , Rb , Rs, max x Rsr Asr  Rs As  Rsc As' bRb x 2 Rsr rtw  Rs As  Rsc As' bRb  2 Rsr tw xa xa a1  As a  Asr As  Asr xa h0  h  a1     0,008Rb R  x   R ho  Rs ,max   1 1  sc ,u  1,1    x   R ho x   R ho M  Rbbx  h0  0,5 x     Rsc A 's h0  a '  2 M  Rbbh0  R 1  0,5 R     Rsc As' h0  a '  M  Rb bx 2  Rsc As' x  a '  2   2  Rsr W p   r  x  tw   Rs As ( h'  x )     M  Rb 2 b R h02  Rsc As' R h0  a '  2  2 ba 2  Rsc As' a  a '  2 t h   '  Rsr  Asr , f  w w  hw  Rs As (h '  a ) 2    M  Rb   Rsr W p   r   R h0  t w   Rs As ( h'   R h0 )      2 M  Rbbh0  R 1  0,5 R     Rsc As' h0  a '  Hình 4. Sơ đồ khối kiểm tra độ bền tiết diện thẳng góc của dầm bê tông cốt cứng tiết diện chữ nhật 56 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2014 QUY CHUẨN - TIÊU CHUẨN dùng thép chữ I30 cán nóng có: Rsr  210 N/mm2 ( Asr  46,5 cm2); cốt thép thường C-III có Rs  Rsc  365 N/mm2 ( As  1,57 cm2); mô men uốn tác dụng M  190 kNm. h '=465 a=35 hw=290 300 t w=6,5 50 h=500 150 a=155 Ví dụ 1: Kiểm tra độ bền tiết diện của dầm bê tông chữ nhật sử dụng cốt cứng (hình 5) với các số liệu đầu vào cho trước như sau: Bê tông cấp độ bền B22,5 (M300) có Rb  13 N/mm2; b1 1; cốt cứng Asr As b=250 Hình 5. Tiết diện dầm bê tông chữ nhật sử dụng cốt cứng Thực hiện tính toán: - Khoảng cách từ trục cánh trên của cốt cứng đến biên chịu nén của tiết diện a  155 mm . - Khoảng cách từ trọng tâm cốt cứng đến biên chịu kéo của tiết diện: ar  50  300 / 2  200 m m - Khoảng cách từ trọng tâm cốt cứng đến biên chịu nén: r  50  300 / 2  200 mm Bước 1: Xác định vị trí trục trung hòa Giả thiết tính toán theo điều kiện trục trung hoà không đi qua cốt cứng Bước 2: Xác định chiều cao vùng chịu nén của bê tông - Do giả thiết tính toán theo điều kiện trục trung hòa không đi qua cốt cứng nên chiều cao vùng bê tông chịu nén được xác định theo công thức (5): x Rsr Asr  Rs As 210  46,5  10 2  365  1, 57  10 2   318 mm bRb 250  13 - Vì x  318 mm  a  155 mm nên giả thiết tính theo trường hợp trục trung hòa không đi qua cốt cứng là không đúng, xảy tra trường hợp trục trung hòa đi qua cốt cứng. Chiều cao vùng bê tông chịu nén được xác định theo công thức (8): x 2 Rsr rtw  Rs As 2  210  300  6, 5  385  1, 57  102   144 mm 2 Rsr t w  bRb 2  210  6, 5  250  13 Vì x  144 mm  a  155mm nên trục trung hòa đi qua cánh cốt cứng. Bước 3: Xác định khoảng cách a1 - Khoảng cách từ hợp lực của nội lực trong cốt thép (cốt cứng và cốt thép thường) chịu kéo đến biên chịu kéo tiết diện được xác định theo công thức (2): a1  Asr ar  As a 46,5 102  200  1,57  102  35   198 mm Asr  As 46, 5  102  1,57 102 Bước 4: Xác định chiều cao làm việc của tiết diện: - Chiều cao làm việc của tiết diện được tính toán theo công thức (1): h0  h  a1  500  198  302 mm Bước 5: Xác định đặc trưng vùng chịu nén  của bê tông - Đặc trưng vùng chịu nén của bê tông được xác định theo công thức (4):     0, 008Rb  0,85  0, 008 13  0, 746 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2014 57 QUY CHUẨN - TIÊU CHUẨN Bước 6: Xác định chiều cao tương đối giới hạn vùng chịu nén  R của bê tông - Chiều cao tương đối giới hạn vùng chịu nén của bê tông được tính theo công thức (3):  0, 746 R    0, 58 R   365  0, 746   1  s , max  1  1 1  sc ,u  1,1  400  1,1     Trong đó: Rs ,max  max  Rs ; R sr   max  365; 210   365 N / mm 2 ;  sc ,u  400 N / mm 2 (mục 2b, bảng 15 trong [1]. Bước 7: Xác định mô men giới hạn của tiết diện - Tính diện tích cốt cứng trong vùng chịu nén  Asr , f  b t f  13, 5  1, 02  13,8 cm 2 với hw  300  10, 2  288 mm f - Vì a  155mm  R h0  0, 58  302  175 mm nên mô men giới hạn của tiết diện được kiểm tra theo công thức (10): ba 2 t h     Rs As  h  a   Rsr  Asr , f  w w  hw 2 2   2 250.155 6, 5  288    13   365  1, 57  102   465  155   210   13,8  102    288 2 2   M  Rb  197.106 Nm  197 kNm  M  190 kNm Kết luận: Độ bền của tiết diện dầm được đảm bảo. c) Tính toán độ bền của dầm tiết diện chữ T diện chữ T được tiến hành tùy theo vị trí của trục trung hòa đối với cốt cứng: Trục trung hòa không đi Khi trục trung hòa đi qua cánh của tiết diện dầm chữ T, thì tiết diện sẽ được tính như tiết diện dầm chữ nhật có chiều rộng cánh là b . f qua cốt cứng; Trục trung hòa đi qua bản bụng cốt cứng; Trục trung hòa đi qua bản cánh cốt cứng. Trường hợp 1 – Trục trung hoà không đi qua cốt Khi trục trung hòa đi qua sườn tiết diện chữ T thì việc tính toán độ bền tiết diện thẳng góc của dầm tiết cứng (hình 6). A's Rb x a a' Rsc A's h h' h0 hf' b' f trôc trung hßa Trục trung hòa a Rs As Asr b Rsr As Hình 6. Trục trung hòa không đi qua cốt cứng (dầm tiết diện chữ T) Chiều cao vùng chịu nén x được xác định từ điều kiện cân bằng  x  0 .  x  Rb bx  Rb  b   b  h f  R sc As  R s As  R sr Asr  0 f Trục trung hòa không đi qua cốt cứng khi: x Rsr Asr  Rs As  Rsc As  Rb  bf  b  hf bRb a (11) Trong đó: Asr - diện tích tiết diện cốt cứng nằm trong vùng chịu kéo; b - chiều rộng cánh của dầm tiết diện f chữ T; b- chiều rộng tiết diện chữ nhật; h - chiều dày cánh của dầm tiết diện chữ T. f - Khi x   R h0 , ứng suất trong cốt thép chịu kéo (cốt cứng và cốt thép thường) đạt đến cường độ tính toán, trạng thái giới hạn đạt đến bằng sự phá hoại dẻo. Khi đó độ bền của tiết diện được kiểm tra theo điều kiện cân bằng đối với trọng tâm cốt thép (cốt cứng và cốt thép thường) chiụ kéo M  0 : 58 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2014 QUY CHUẨN - TIÊU CHUẨN M  Rb bx  h0  0, 5 x   Rb  b f  b  h f  h0  0, 5 h f   R sc As  h0  a   (12) - Khi x  R h0 , độ bền của tiết diện được kiểm tra theo điều kiện (12) nhưng thay x   R h0 và được viết dưới dạng: (13) M  Rb b R h02 1  0, 5 R   Rb b f  b h f h0  0, 5 h f  R sc As  h0  a       Trường hợp 2 – Trục trung hòa đi qua bản bụng của cốt cứng (hình 7). A's bf' Rsc A's h0 r x a a' hf' Rb h h' tw trôc trung hßa Trục trung hòa a Rs As Asr Rsr As b Hình 7. Trục trung hòa đi qua bản bụng của cốt cứng (dầm tiết diện chữ T) Chiều cao vùng chịu nén x được xác định từ điều kiện cân bằng  x  0 :  x  Rb bx  Rb  bf  b  hf  Rsc As  Rsr Asr  Rs As  Rsr Asr  0 Trục trung hòa đi qua bản bụng cốt cứng khi: x 2 Rsr rtw  Rs As  Rsc As  Rb  bf  b  hf bRb  2 Rsr tw a (14) Trong đó: r - khoảng cách từ biên chịu nén của bê tông đến trọng tâm cốt cứng; t w - chiều dày bản bụng của cốt cứng. - Khi x   R h0 , độ bền của tiết diện được kiểm tra theo điều kiện cân bằng mô men đối với trục trung ḥa M  0 : 2  M    b  b  hf  x  0,5hf   0,5bx 2  Rb  Rsr As  x  a   Rsr W p   r  x  t w   Rs As  h  x   f    (15) Trường hợp 3 – Trục trung hòa đi qua bản cánh của cốt cứng (hình 8). A's Rb a a' Rsc A's hw h tw h' h0 hf' bf' trôc trung hßa Trục trung hòa a Rs As Asr b As Rsr Hình 8. Trục trung hòa đi qua bản cánh của cốt cứng (dầm tiết diện chữ T) Nếu chiều cao vùng chịu nén của bê tông xác định theo (11) không thỏa mãn, tức là trục trung hòa đi qua cốt cứng, thì chiều cao vùng chịu nén của bê tông tính theo (14). Nếu kết quả tính được theo (14) cũng không thỏa mãn thì giả thiết rằng trục trung hòa đi qua cánh cốt cứng. Khi đó, độ bền của tiết diện được kiểm tra theo điều kiện cân bằng mô men đối với trục trung hòa M  0 . M    b f  b  h f  a  0, 5 h f   0, 5 ba 2  Rb  R sr As  a  a    R sr  A f  0, 5 t w hw  hw  R s As  h   a    (16) Khi x   R h0 , độ bền của tiết diện được kiểm tra theo công thức (13). Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2014 59 QUY CHUẨN - TIÊU CHUẨN Việc kiểm tra độ bền tiết diện thẳng góc của dầm bê tông cốt cứng tiết diện chữ nhật có thể thực hiện theo sơ đồ khối trên hình 9. Bắt đầu Ghi chú: (1) Trục trung hòa không đi qua cốt cứng (2) Trục trung hòa đi qua bản bụng cốt cứng (3) Trục trung hòa đi qua bản cánh cốt cứng M , b, h, h0 , a, a , ar , a , r , Rs , As , Rsr , Asr , Rb , Rs ,max Xác định vị trí trục trung hòa Rsr Asr  Rs As b 'f Rb x Trục trung hòa đi qua cánh dầm sai Trục trung hòa đi qua sườn dầm x đúng x  h 'f M  Rbbx  h0  0,5 x    Rsr Asr  Rs As  Rsc As'  Rb b 'f  b h 'f bRb sai xa Trục trung hòa đi qua cốt cứng x   2Rsr rtw  Rs As  Rsc As'  Rb b 'f  b h 'f bRb  2 Rsr tw đúng Trục trung hòa không qua cốt cứng Đi qua bản bụng sai đúng xa Đi qua bản cánh (1) a1  h0  h  a1 As a  Asr ar As  Asr (2) xa (3)     0, 008 Rb x   R ho (1) R   Rs , max   1  1  1,1   sc ,u   (3) đúng sai    A h  a  ' f  Rb b  b h h0  0,5h  Rsc ' s ' f  ' 0    R A h  x    A h  a    Rb b'f  b h'f h0  0,5h 'f   ' 0   h' M   b'f  b h'f   R h0  f  2      M  Rbb R h02 1  0,5 R   2  b R h0 2   Rb    2           Rb b'f  b h'f h0  0,5h 'f   Rsc As' h0  a' 2  Rsr A  R h0  a  Rsr W p   r   R h0  t w       R A  h   h  ' s   Rs As h '  a s    ' M  Rbb R h02 1  0,5 R   ' s   h'  ba 2   Rb  M   b'f  b h 'f  a  f    2  2        ' tw hw  ' '  Rsr As a  a  Rsr  Af   hw  2    2  Rsr As' x  a'  Rsr W p   r  x  t w     s  Rsc đúng sai   h'  bx 2  M   b 'f  b h 'f  x  f    Rb   2  2        sai x   R ho đúng M  Rbbx  h0  0,5 x   ' f x   R ho (2) ' ' s s R 0 Kết thúc Hình 9. Sơ đồ khối kiểm tra độ bền tiết diện thẳng góc của dầm bê tông cốt cứng tiết diện chữ T Ví dụ 2: Kiểm tra độ bền tiết diện của dầm bê tông tiết diện chữ T sử dụng cốt cứng (hình 10) với các số 2 liệu đầu vào như sau: Bê tông cấp độ bền B22,5 (M300) có Rb  13 N/mm ; 2 2 I40 cán nóng có Rsr  210 N/mm ( Asr  71,4 cm , W 2 2  N/mm ( As  6,28 mm ,  2 20  ); mô men uốn tác dụng M 60  b1  1; cốt cứng dùng thép chữ 3 947 cm ); cốt thép thường C-III có Rs  Rsc  365  350 kNm. Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2014 QUY CHUẨN - TIÊU CHUẨN h'=460 x=175 a=56 50 ' h f =50 50 400 h=500 r=250 b f' =750 Asr As b=250 Hình 10. Dầm tiết diện chữ T Thực hiện tính toán: - Khoảng cách từ trục cánh trên của cốt cứng đến biên chịu nén của tiết diện a  56 mm ar  50  400 / 2  250 mm - Khoảng cách từ trọng tâm cốt cứng đến biên chịu nén: r  50  400 / 2  250 mm Bước 1: Xác định vị trí trục trung hòa - Giả thiết trục trung hòa đi qua cánh của tiết diện dầm chữ T Bước 2: Xác định chiều cao vùng bê tông chịu nén - Do giả thiết trục trung hòa đi qua cánh của tiết diện chữ T nên dầm coi như dầm chữ nhật với chiều rộng b  b  750 mm , chiều cao vùng bê tông chịu nén được xác định theo công thức (11): f x Rsr Asr  Rs As 210  71, 4 102  365  6, 28 102   177mm bf Rb 750  13 - Vì x  177 mm  hf  50 mm nên giả thiết là sai, trục trung hòa đi qua sườn của tiết diện dầm, tiết diện được tính toán như với dầm tiết diện chữ T. Chiều cao vùng chịu bê tông chịu nén được xác định theo công thức (14): x 2 Rsr rt w  Rs As  Rsc As  Rb  bf  b  hf bRb  2 Rsr t w 2  210  250  8  365  6, 28  10 2  13   750  250   50   113 mm  a  56 mm 250  13  2  210  8 - Vì x  113 mm  a  56 mm nên trục trung hòa đi qua bản bụng của cốt cứng. Bước 3: Xác định khoảng cách a1 - Khoảng cách từ hợp lực của nội lực trong cốt thép (cốt cứng và cốt thép thường) chịu kéo đến biên chịu kéo tiết diện được xác định theo công thức (2): a1  Asr ar  As a 71, 4  10 2  200  6, 28  102  35   232 mm Asr  As 71, 4  102  6, 28  10 2 Bước 4: Xác định chiều cao làm việc của tiết diện: - Chiều cao làm việc của tiết diện được xác định theo công thức (1): h0  h  a1  500  232  268 mm Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2014 61 QUY CHUẨN - TIÊU CHUẨN Bước 6: Xác định chiều cao tương đối giới hạn vùng chịu nén R của bê tông - Chiều cao tương đối giới hạn vùng chịu nén của bê tông được tính theo công thức (3): R   0, 746   0,58 Rs , max    365  0, 746  1 1 1 1  sc ,u  1,1  400  1,1      Trong đó: Rs ,max  max( Rs ; Rsr )  max(365; 210)  365 N / mm 2 ;  sc ,u  400 N / mm 2 (mục 2b, bảng 15 của [1]). Bước 7: Xác định mô men giới hạn của tiết diện - Xác định mô men kháng uốn của cốt cứng tiết diện chữ I: W p  1,17W  1,17.947  1100cm 3 với W  947cm 3 . - Vì x  113 mm   R h0  0, 58  268  155 mm nên mô men giới hạn của tiết diện được xác định theo công thức (15):  h  bx 2   2 M  Rb  bf  b  hf  x  f     Rsr As  x  a    Rsr W p   r  x  t w   Rs As  h   x    2  2     250  113 2   13   750  250   50  113  0, 5  50    2   2  210  1110  103   250  113   8   365  6, 28  10 2   460  113    6  394  10 Nm  194 kNm  M  350 kNm Kết luận: Độ bền của tiết diện dầm được đảm bảo. 3. Kết luận Bài báo đã giới thiệu phương pháp tính toán dầm bê tông sử dụng cốt cứng dựa theo tiêu chuẩn thiết kế của Nga về kết cấu bê tông cốt thép [3], kết cấu thép [4] và áp dụng vào tiêu chuẩn Việt Nam tương ứng [1] và [2]. - Phương pháp tính toán dầm bê tông sử dụng cốt cứng theo tiêu chuẩn Nga tương tự như phương pháp tính toán dầm bê tông cốt thép thông thường. Các quy định chung về tính toán dầm bê tông sử dụng cốt thép thường có thể được áp dụng cho dầm bê tông sử dụng cốt cứng. Khi tính toán dầm bê tông sử dụng cốt cứng thì diện tích vùng chịu kéo của tiết diện được kể thêm phần cốt cứng cùng tham gia chịu lực; - Trong bài báo đã đưa ra được quy trình để kiểm tra độ bền dầm bê tông tiết diện chữ nhật hoặc chữ T sử dụng cốt cứng là thép hình tiết diện chữ I và một số ví dụ tính toán minh họa. Quy trình này có thể sử dụng trong thực tế thiết kế ở Việt Nam và hoàn toàn đồng bộ với hệ thống tiêu chuẩn của Việt Nam; 62 - Trong bài báo mới chỉ đề cập tới tính toán độ bền theo tiết diện thẳng góc. Việc tính toán với tiết diện nghiêng sẽ được trình bày trong số báo tiếp theo. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. TCVN 5574:2012, Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép. Tiêu chuẩn thiết kế, 2012. 2. TCVN 5575:2012, Kết cấu thép. Tiêu chuẩn thiết kế, 2012. 3. SNIP 2.03.01-84*, Бетонные и железобетонные конструкции. Нормы проектирования, Москва, 1989. 4. SNIP II.23-81*, Стальные конструкции. Нормы проектирования, Москва, 1982. 5. БОНДАРЕНКО В.М., СУВОРКИН Д.Г., Железобетонные и каменные конструкции, Москва, Высшая школа, 1987. 6. Руководство по проектированию железобетонных конструкций с сжесткой армарурой., Москва, Стройиздат, 1978. Ngày nhận bài sửa: 5/9/2014. Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2014